автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Исследование и разработка информационно-измерительной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70

На правах рукописи

Артеменко Юрий Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РАДИОТЕЛЕСКОПА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА РТ-70

Специальность: 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006 г.

Работа выполнена в Институте проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Городецкий Андрей Емельянович

Официальные опноненты:

доктор технических наук, профессор Фрадков Александр Львович

кандидат технических наук, нач. лаборатории Нужин Андрей Владимирович

Ведущая организация -

Санкт-Петербургский институт информатики п автоматизации Российской академии наук

Зашита состоится « ^ '» а г, 2006 г. в час оо мин. На заседании диссертационного совета Д 002.075.01 при Институте проблем машиноведения Российской академии паук по адресу: 199178, Санкт-Петербург, Большой пр. В. О., д. 61, ИПМаш РАН

С диссертацией можно ознакомится в OI1ТИ ИПМаш РАН Автореферат разослан «-У^ -Ы 2006 г.

Ученый секретарь днссертационнопясовета, доктор технических наук—

13. В. Дубаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В последнее время интенсивность исследований и разработок, направленных на создание различных радиотехнических устройств диапазона 30 — 300 ГГц, постоянно возрастает, а области их применения расширяются. Использование этого диапазона, занимающего промежуток между достаточно хорошо освоенными сантиметровым и оптическим диапазонами, в радиосистемах и радиоастрономии позволяет в ряде случаев найти компромиссное решение, в большей Степени отвечающее требованиям конкретных задач. Расширение области применения диапазона миллиметровых длин волн (ММДВ) обусловлено тремя факторами: большой протяженностью спектра, особенностями их распространения в атмосфере, малой длиной волны.

Одним из наиболее важных направлений использования ММДВ являются радиоастрономические исследования с помощью радиотелескопов, направленные на решения крупных научных проблем:

определения фундаментальных закономерностей пространства-времени;

- построения модели расширяющейся Вселенной;

- изучение структуры и динамики астрономических объектов, в том числе в космических источниках со сверхсильнымн гравитационными и электромагнитными полями, объектах-ускорителях элементарных частиц до сверхвысокой энергии;

- изучение проблем образования, физики и эволюции звезд и галактик, геодинамика п геотектоника;

- координатно-временное обеспечение научной и хозяйственной деятельности.

Для информационного обеспечения отмеченных астрономических задач строящийся радиотелескоп РТ-70 будет работать в трех режимах:

- как одиночный инструмент, обладающий многолучевой диаграммой (до 100 лучей одновременно),

- как основной инструмент наземной сети интерферометров в Евро-Лзнатском районе,

- как основной инструмент радионнтерферометров Земля-Космос но программам фундаментальных космических исследований.

Во всех этих режимах РТ-70 в ММДВ может обеспечить наиболее высокую чувствительность и угловое разрешение при проведении наблюдений в непрерывном спектре, спектральных линиях, поляризационных измерениях и изучении быстропеременных процессов. Однако при этом необходимо решить проблему создания высокоточной системы наведения радиотелескопа на космические источники

радиоизлучения (КИР), снабженной информационно-измерительной системой, обеспечивающей замыкание контуров управления различных уровней путем формирования с минимальными погрешностями соответствующих потоков измерительной информации.

Таким образом, актуальность и важность создания информационно' измерительной системы радиотелескопа РТ-70 для наблюдения КИР ММДВ, не вызывает сомнения.

Оптические методы обработки и передачи информации в настоящее время находят все более широкое применение, так как обладают высоким быстродействием и хорошей помехозащищенностью, что крайне важно для обеспечения работоспособности радиотелескопа. Однако в измерительных каналах вычислительно-управляющих комплексов (ВУК) радиотелескопов (РТ) эти методы практически не используются, что можно объяснить слабой проработкой схемотехнических вопросов их использования, а также пробелами в исследовании ряда метрологических вопросов и отсутствием инженерных методик проектирования оптико-электронных измерительных каналов (ОЭИК) с требуемыми характеристиками.

Работа выполнена с 2002 по 2006 г.г. в ЛКЦ ФИЛИ и ИПМаш РАН

Цель диссертации. Целью работы являлось исследование и разработка информационно-измерительной системы, осуществляющей измерение и преобразование в цифровую форму параметров н характеристик РТ и окружающей среды для ввода их в ВУК, вырабатывающей (вычисляющей) управляющие воздействия, обеспечивающие функционирование РТ во всех штатных режимах.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона за счет совершенствования информационно-измерительных систем,

- исследование и разработка методов и средств измерения смешений элементов конструкции зеркальной системы на основе анализа измеряемых параметров и существующих методов измерений;

- исследование и разработка оптико-электронных измерительных каналов системы мониторинга окружающей среды на основе анализа измерительных задач системы мониторинга и степени влияния параметров окружающей среды на функционирование радиотелескопа;

- разработка формул и методик для расчетов узлов оптоэлектронных измерительных каналов радиотелескопа, а также оценок их метрологических характеристик;

- компьютерное и физическое моделирование оптико-электронных измерительных каналов смещений элементов конструкции зеркальной системы с целью уточнения их параметров и подтверждения теоретических исследований результатами экспериментов.

Методика исследовании основана па применении современных аналитических и численных методов и алгоритмов анализа погрешностей.

математического п физического моделирования, а также принципов аналитического и структурного проектирования информационно-измерительных каналов.

Научная новизна данной работы состоит в том, что впервые:

1. Теоретически исследована новая структура информационно-измерительной системы большого полноповоротного радиотелескопа миллиметрового диапазона, использующая гироскопическую платформу в качестве инерцнальной системы отсчета. Проведена оценка погрешностей используемых измерительных каналов.

2. Разработан метод уменьшения ограничения по дальности автоколлнмашюиного измерения из-за виньетирования регистрируемого отраженного пучка путем использования управляемого контрольного элемента с датчиком обратной связи, содержащим экран из нового функционального материала - пористого кремния, позволяющим получать одновременно информацию о направлении и скорости перемещения.

3. Уточнено уравнение измерения для обобщенного интерференционно-кодового измерительного канала (ИКИК) за счет введения операции сопряжения различных периодических пространственно-временных структур и операции выделения измеряемого информационного параметра нз смеси сигнал/шум, основанной на взятии функционала от ряда сверток с различными базисными функциями. Проведен теоретический анализ ИКИК на основе полученного уравнения, позволивший установить, что наибольшими инструментальными погрешностями обладают модуляторы, оптические усилители перемещения и волоконно-оптические линии связи.

4. Разработана методика проектирования ИКИК, заключающаяся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества.

Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:

1. Проведенный анализ оптико-электронных методов н средств измерения положения элементов конструкции РТ-70 позволяет осуществить целенаправленный синтез информационно-измерительных систем РТ-70, обеспечивающих повышение их точности и разрешающей способности.

2. Сформулированное обобщенное уравнение измерении ИКИК может служить основой для разработки методики расчета их погрешностей.

3. Разработанная методика выбора основных блоков ИКИК и расчета их параметров позволяет проектировать оптимальные ИКИК с заданными метрологическими параметрами.

4. Разработанные принципы компьютерного и физического моделирования оптико-электронных измерительных систем (ОЭИС) РТ-70 позволяют соотносить результаты теоретических исследований

погрешностей ОЭИС с результатами экспериментов и вносить необходимые корректировки.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Теоретические исследования новой структуры информационно-измерительной системы большого полноповоротного радиотелескопа миллиметрового диапазона, использующей гироскопическую платформу в качестве инерциальной системы отсчета. Анализ погрешностей используемых измерительных каналов позволил оптимизировать структуру информационно-измерительной системы РТ-70.

2. Разработка метода уменьшения ограничения по дальности авто коллимационного измерения из-за виньетирования регистрируемого отраженного пучка путем использования управляемого контрольного элемента с датчиком обратной связи, содержащим экран из нового функционального материала — пористого кремния, позволяющим получать одновременно информацию о направлении и скорости перемещения.

3. Уточненное уравнения измерения для обобщенного интерференционно-кодового измерительного канала за счет введения операции сопряжения различных периодических пространственно-временных структур и операции выделения измеряемого информационного параметра из смеси сигнал/шум, основанной на взятии функционала от ряда сверток с различными базисными функциями. Уравнение может служить основой для получения расчетных соотношений, используемых при параметрическом синтезе оптического тракта.

4. Разработка методики проектирования ИКИК, заключающейся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества. Методика может использоваться при проектировании не только ИКИК РТ-70, но других оптико-электронных информационно-измерительных систем.

Личный вклад автора в разработку избранном темы состоял в выборе, теоретическом обосновании и реализации методов и средств измерений и расчетов погрешностей, в постановке экспериментальных исследований, участии в их проведении, обработке результатов и их анализе.

Проведение конструкторских разработок для физического моделирования, компьютерное и физическое моделирование ОЭИС проводились совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Апробация работы. Достоверность защищаемых положений подтверждена апробацией в научных публикациях (двух монографиях и одной статьи в рецензируемом научном журнале и четырех статьях в трудах российских и международных конференций), обсуждением паучпых

результатов на трех Международных конференциях, экспериментальными исследованиями, компьютерным моделированием, успешным использованием в трех организациях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 монографии, 1 статья в рецензируемом журнале, 4 статьи в трудах российских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем основной части работы: 326 страниц, включая 19 таблиц, 146 рисунков и список литературы из 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, указана новизна и практическая значимость достигнутых результатов, приведена общая структура диссертации.

В первой главе проведен анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона за счет совершенствования информационно-измерительных систем, а так же зеркальных (антенных) систем, систем приема и регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения и систем наведения и автосопровождення КИР.

В настоящее время имеется большое разнообразие в построении зеркальных систем (ЗС) радиотелескопов, анализ и опыт использования которых для наблюдения КИР ММДВ показывает, что наиболее перспективно использование больших полноповоротных наземных трех зеркальных радиотелескопов с третьим подвижным перископическим зеркалом (ПЗ). Для повышения точности и эффективности в системе наведения такой ЗС на КИР может использоваться сканирование принимаемого сигнала через точечный приемник с помощью перископического зеркала и адаптация поверхности основного зеркала с помощью управляемого перемещения щитов отражающей поверхности (ЦЦОП). Вместо сканирования принимаемого сигнала перископическим зеркалом можно использовать управляемый подвижный приемник (УПП), устанавливаемый вблизи исходного вторичного фокуса ЗС. Тогда приемник будет следить за уходом вторичного фокуса ЗС. При этом, значительного снижения требовании к точности наведения можно получить при использовании матричного приемника. Для реализации указанных режимов системы наведения необходимо создание соответствующих высокоточных информационно-измерительных систем, обеспечивающих замыкание контуров управления различных уровней путем формирования соответствующих потоков данных.

На этапе проектирования расчетным и экспериментальным путями определяются оптимальные положения ПЗ или УПП при различных сочетаниях ошибок наведения и деформации ЗС. Эти данные записываются в

память ВУК и используются в процессе наведения ПЗ или УПП для формирования задающих сигналов на их приводы, на основании текущих значений измеряемого вектора состояния РТ.

При таком способе приема сигналов нет необходимости требовать от приводов наведения точности соизмеримой с шириной диаграммы направленности антенны (ДНА). Требования к приводам наведения по точности могут быть существенно снижены, а разрешающая способность РТ повышена.

Полезность использования в системах наведения больших РТ регистрации «изображении» путем применения сканирующих перископических зеркал, либо путем применения управляемых подвижных приемников излучения и вычисления по результатам их анализа ошибок наведения очевидна. Однако для обеспечения работоспособности такой системы наведения требуется создание высокоточной, дистанционной и помехозащищенной информационно-измерительной системы (ИИС). При этом наиболее высокие и в тоже время наименее обоснованные требования на данном этапе проектирования ИИС предъявляются к каналам измерения линейных и угловых перемещений элементов конструкции ЗС.

При создании информационно-измерительных систем радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70, обеспечивающих повышение его точности и разрешающей способности необходимо, прежде всего решить проблему высокоточного измерения линейных и угловых перемещений элементов (ЩОП ОЗ, КР и ПЗ) зеркальной системы радиотелескопа. Для этого надо решить задачи создания следующих измерительных каналов или систем:

- системы измерения положения ЩОП ОЗ относительно опорного кольца (ОК), в результате работы которой определяется положение оси всей зеркальной системы радиотелескопа относительно оси опорного кольца;

-системы измерения положения ОК относительно гиростабилизированной платформы (ГСП), в результате работы которой определяется положение оси радиотелескопа по углу места;

- системы измерения положения ГСП по азимуту относительно абсолютной (наземной) системе координат, в результате работы которой определяется положение оси радиотелескопа по азимуту.

Из анализа паспортных данных образцов измерительных средств ведущих производителей следует, что серийно выпускаемые приборы в стандартных режимах работы не обеспечивают требуемой точности. Это определяет два пути реализации измерительных каналов - на основе серийных приборов в специально разрабатываемых режимах работы с оригинальной дополнительной оснасткой или - на основе специально разрабатываемых на современной элементной базе измерительных каналах.

При этом, если учесть высокие требования к помехозащищенности радиотелескопа от паразитных электромагнитных полей, становится очевидным целесообразность использования оптических методов обработки и передачи информации и соответственно оптико-электронных измерительных систем (ОЭИС), которые в настоящее время находят все

более широкое применение, так как обладают высоким быстродействием и хорошей помехозащищенностью. Однако, в измерительных каналах ВУК радиотелескопов ОЭИС пока применяются редко, что можно объяснить слабой проработкой схемотехнических вопросов их использования, а также пробелами в исследовании ряда метрологических вопросов и отсутствием инженерных методик проектирования оптоэлектроиных измерительных каналов с требуемыми характеристиками.

Делается вывод, чтц для создания оптоэлектроиных измерительных систем и каналов ВУК радиотелескопа миллиметрового диапазона, актуально решение следующих задач:

- проведения метрологического анализа вариантов методов и структур ОЭИС для измерения линейных и угловых перемещения подвижных элементов.ОЗ, КР и ПЗ зеркальной системы радиотелескопа.,

- проведения анализа устойчивости вариантов оптических методов и средств измерения линейных и угловых перемещения подвижных элементов ОЗ, КР и ПЗ зеркальной системы радиотелескопа к воздействию внешних факторов,

- разработка компьютерных и физических моделей выбранных но точности и помехозащищенности ОЭИС,

- разработка комплекса измерительных процедур для обеспечения универсальности использования оптоэлектроиных измерительных каналов, построенных на базе интерференционно-кодовых преобразователей и параллельных световолокониых линий связи;

- исследование отдельных особенностей теории оптоэлектроиных измерительных каналов с учетом специфики интерференционно-кодового преобразования измерительной информации и передачи ее по световолокоипым линиям связи;

- разработка расчетных формул и методик для синтеза узлов оптоэлектроиных измерительных систем и каналов рассматриваемого типа, а также оценок их метрологических характеристик

Во второй главе проводится анализ измеряемых параметров РТ-70 и возможных методов измерений. Установлено, что в процессе поворотов ЗС, на нее действуют случайные неконтролируемые возмущения, среди которых наиболее значимыми являются деформации конструкции, вызванные весовыми, ветровыми и температурными воздействиями, и перекосы основания зеркальной системы при повороте по азимуту. Поэтому при наведении ЗС необходимо решать проблему высокоточного измерения линейных и угловых перемещения элементов конструкции ЗС.

Анализ требований, которые могут быть предъявлены к дальномерам, при их использовании для измерения смещения элементов конструкции ЗС РТ-70 методом «линейной засечки» показал, что при заданном значении точности измерения смещений ДХ = ДУ = Д2 = 100 мкм получим следующее требование к разрешающей способности дальномеров: ДЬ = гшп{Д1). ДЬ, ДЬ) ^ 5 мкм

Подобной разрешающей способностью (порядка долен длины волны света) обладают оптико-электронные системы, использующие явления волновой оптики (интерферометры). Однако погрешности измерения вследствие влияния дестабилизирующих факторов, таких, как вибрации и неконтролируемые смещения опорных точек, а так же флюктуации оптических свойств воздушного тракта, могут достигать единиц и десятков процентов от диапазона измерения, что делает их использование в рассматриваемой системе проблематичным.

Альтернативным является метод «угловой засечки». По этому методу с двух реперных точек измеряются углы визирования (угол между оптической осью объектива и направлением на точку) контролируемой точки в вертикальной и горизонтальной плоскостях (рнс.1).

По измеренным углам визирования <pi,(p2>V|,V2 п известной величине базового расстояния В между репериымн точками определяются координаты XYZ контролируемой точки в приборной системе координат X0Y0Z0.

Z = В [ 1 + sin (ср! - (р2) / sin (cpt + <pi)] / 2 ;

X = В sin q>i sin (p2 / sin (ф] + <p¿);

Y = [Y + В (tg V| sin ф2 + tg v2 sin фг) i sin (ф! + Ф2)] / 2 .

Известно, что при одинаковой погрешности измерения требуемая величина баз Bl, В2, ВЗ (расстояний между измерителями) при реализации метода "линейной засечки" (рнс.2) в среднем в 2...3 раза больше (и соизмерима с расстояниями L до контролируемой точки), чем требуемая величина базы В в методе «угловой засечки». Поэтому в рассматриваемом

z

хо

Рис. 1. XYZO-och приборной системы координат

XYZ

LI

ч

L2

L3 "

B2

Рнс.2.Метод «линейной засечки»

случае целесообразно использовать метод «угловой засечки». Тогда, исходя из особенностей оиорно-поворотпого устройства (ОПУ) и пространственной металлоконструкции (ПМК) зеркальной системы РТ-70, состоящих в том, что основание (опорное кольцо (ОК)), на котором крепится ЗС, представляет собой достаточно жесткий узел, измерители в системе по методу «угловой засечки» можно поместить на OK ЗС. В этом случае расстояния от измерителей до контрольной точки (Lj, L2, L3) значительно сократятся и потенциально метод «угловой засечки» может обеспечить большую точность.

Для измерения углового рассогласования обычно используют автоколлимацноннын метод измерения как обладающий наибольшей чувствительностью. Наиболее важными с точки зрения реализации оптико-электронных автоколлиматоров (ОЭАК) являются систематические погрешности, влияние которых практически невозможно скомпенсировать из-за сложности определяющих их зависимостей. Из этой группы наибольшее влияние на точность измерения оказывает погрешность св из-за виньетирования отраженного пучка оправой приемного объектива. Эта погрешность зависит от параметров оптических элементов, что определяет возможность ее уменьшения при определенных соотношениях между ними.

При увеличении диапазона измерения ©тах или дистанции L до объекта величина смещения отраженного от контрольного элемента (КЭ) луча относительно оптической оси также будет возрастать, что при конечной величине апертуры объектива приведет к 100% виньетированию регистрируемого отраженного пучка и невозможности дальнейшего измерения. Фактически диапазон измерения ©1пах или предельная дистанция L определяются из соотношений (диаметр самого отраженного пучка принимается малым): f/(nax = L'tg(^max) = L tg(A/€>JTm) = D12 , где D - диаметр входного зрачка (апертура) объектива авто коллиматора; К - коэффициент передачи КЭ. Следовательно, при известной апертуре (диаметре входного зрачка) приемного объектива D и известной дистанции L реализуемый диапазон измерения ©т;,х определится как:

arctg fl •=_

v max |

В частности, при D = 4 I О*2 м, К = 1 и L = 50 м (эти величины характерны для рассматриваемой системы измерения уходов ЗС РТ-70), получим: ©I)m ~ 4 10*4 рад., что может быть недостаточно для обеспечения работоспособности системы измерения во всем диапазоне изменения измеряемых величин.

Можно использовать три схемных решения ОЭЛК, реализующих измерения с уменьшением ограничения "по апертуре" — с активной компенсацией отклонения пучка, с рабочим полн-пучком и со специальным КЭ.

Наиболее эффективный с точки зрения расширения диапазона измерения способ компенсации, а именно разворот КЭ, может быть рекомендован для решения задач измерения угловых рассогласований элементов конструкции ЗС РТ-70 только при условии создания высокоточной системы управления углом поворота КЭ с обратной связью по положению отраженного пучка. При этом необходимо будет решить проблему исключения электрического контакта с контролируемым объектом при реализации обратной связи и проблему минимизации массо-габаритных характеристик электропривода системы управления КЭ. Обе указанные проблемы могут быть решены в процессе разработки электроприводов системы управления отражающими щитами основного зеркала.

автоколлиматор кэ

Для повышения динамической точности системы управления КЭ предлагается использовать введение дополнительной обратной связи по скорости перемещения КЭ. В рассматриваемом случае информацию о

скорости перемещения отраженного луча можно легко получить с помощью использования в анализаторе 7 (см. рис.З) люминесцнрующий экран из пористого кремния, обладающего эффектом усталости люминесценции. Тогда, в зависимости от соотношения скорости движения по экрану отраженного луча и скорости затухание свечения экрана получаемое изображение будет выглядеть совершенно по-разному (см.рис.4).

Рис.4. Результаты компьютерного моделирования

Для предельного случая, наиболее просты - почти неподвижный луч и быстро двигающийся. В первом случае материал экрана будет «уставать» отображать проецируемое на него изображение, и наблюдатель будет видеть на экране постепенное ослабление яркости изображения луча, вплоть до полного исчезновения. Во втором случае, если двигающийся луч перемещается на расстояние порядка своего размера за время меньшее, чем время затухания экрана, изображение не будет отличаться от изображения на обычном экране. Наиболее интересен случай движения с промежуточной скоростью. При этом край луча, направленный в сторону движения, проецируется на свежие, ранее не активированные участки экрана, и отображается с нормальной яркостью. Противоположный край проецируется на области, уже люмниесцпровавшне какое-то время и поэтому слабее отзывающиеся на активацию. В результате изображение двигающегося луча будет иметь градиент яркости в направлении движения. Величина этого градиента будет зависеть от соотношения времени затухания свечения и скорости движения, а направление — от направления перемещения падающего на экран луча.

С помощью такого экрана можно определять скорость н направление движения «с одного взгляда» на экран, хотя по самым общим

представлениям для определения скорости нужно иметь по крайней мере два отсчета. Следовательно, запаздывание в получении сигнала обратной связи по скорости в данном случае будет минимальным.

Кроме того, для исключения из принимаемого сигнала (изображения отраженного луча) низкочастотных временных искажений можно КЭ привести в колебательные перемещения перпендикулярно падающему лучу в высокой частотой например, закрепив КЭ на пьезоэлементе, раскачиваемом на этой частоте Гь Тогда отфильтрованный на частоте ^ принимаемый сигнал уже не будет содержать временных помех (искажений) на частотах { «

Далее рассматривается структура системы измерения смещений элементов конструкции (СИСЭК) зеркальной системы радиотелескопа РТ70, построенной на основании метода "угловой засечки".

Основу единой измерительной системы, к которой выполняется привязка других измерительных систем, в том числе и СИСЭК, составляют:

- трехосная гнростабилнзированная платформа (ГСП) для измерения углового положения ОПУ относительно азимутальной и угломестной осей в наземной системе координат; в ГСП предполагается использование уникальных прецизионных электростатических гироскопов разработки ЦНИИ "Электроприбор" (Санкт-Петербург), обеспечивающих в течение 3-х часов измерение углов в диапазоне 360° с точностью 1,5" ;

- дискретные одноотсчетные электромеханические индукционные преобразователи угла типа многополюсного вращающегося трансформатора с наружными диаметрами от 60 до 500 мм с точностью 0,5" для контроля углового положения исполнительных осей следящих электросиловых приводов наведения 03, КР и ПЗ.

- дополнительные оптико-электронные измерительные системы трех уровней.

Первый уровень - система измерения положения базовых (с точки зрения построения измерительной системы ) элементов конструкции ОПУ, а именно, опорного кольца н цапф - относительно ГСП единой измерительной системы, содержащая:

- оптнко-электронную автоколлпмационную систему измерения угловой деформации стоек цапф (Ц) качающейся части РТ относительно корпуса ГСП;

оптико-электронную автоколлпмационную систему измерения углового положения специального элемента конструкции 03 - опорного кольца (ОК), жестко связанного с трубой 03 - относительно корпуса ГСП.

Второй уровень — система измерения положения базовых элементов конструкции ОПУ, а именно, цапф, относительно абсолютной (наземной) системе координат, содержащая оптико-электронную систему измерения положения угломестной оси ЗС радиотелескопа (как линии, проходящей через центры цапф качающейся части РТ) по азимуту относительно абсолютной системы координат,

В результате действия первой измерительной системы первого уровня и измерительной системы второго уровня будет выполнена привязка ГСП единой измерительной системы к абсолютной системы координат по азимуту.

Третий уровень - система измерения положения элементов ЗС РТ к ОК, содержащая:

- оптнко-электропную систему измерения положения щитов (фасет) отражающей поверхности (ЩОП) 03 относительно ОК;

- оптико-электронную систему измерения положения КР относительно

ОК;

- оптико-электронную систему измерения положения ПЗ относительно

ОК.

В результате действия второй измерительной системы первого уровня и измерительных систем третьего уровня будет выполнена привязка всей ЗС РТ к ГСП единой измерительной системы.

Таким образом, в результате действия всех измерительных систем могут быть определены параметры зеркальной системы радиотелескопа и измерено положение ее оси как по углу места, так и по азимуту.

Общая схема размещения компонентов СИСЭК на конструкции РТ-70 показана на рнс.5.

Каждая из подсистем СИСЭК: система измерения положения КР, система измерения положения ЩОП п система измерения положения ПЗ, -содержит 2 оптнко-электронных теодолита на базовом объекте и 3 реперных источника излучения на контролируемом объекте. Пары теодолитов всех систем измерения располагаются на ОК, а реперные источники - на КР, ЩОП и ПЗ.

Наиболее перспективными представляются два варианта реализации указанных дополнительных измерительных систем: телевизионные измерительные системы (ТВИС) с репернымн источниками для измерения азимута ЗС и положения ЩОП, КР и ПЗ, оптико-электронный автоколлиматор с пассивным КЭ для измерения углового положения базовых элементов конструкции относительно гпростабилнзированнон платформы.

Кроме того, в схему оптико-электронного измерительного канала (ОЭИК) целесообразно ввести канал компенсации регулярной рефракции, представляющий собой прибор управления по лучу, состоящий из двухволнового задатчпка оптической равпосигнальной плоскости (ОРСП) и приемной части, регистрирующей смещения этой плоскости вследствие рефракции.

Теоретически доказана принципиальная возможность создания канала измерения азимута зеркальной системы относительно базовой (абсолютной) системы координат с погрешностью порядка (1,2-0,9)", удовлетворяющей допустимым погрешностям измерения. Однако следует учитывать, что в реальных условиях добавится значительное количество технологических и эксплуатационных погрешностей. Причем особенно сильное влияние в

реальных условия будет обусловлено градиентом температур воздушного тракта. Чтобы существенно ослабить отмеченное влияние либо необходима текущая информация о температурном поле. Для уточнения величин погрешностей рассматриваемой измерительной системы целесообразно провести всесторонние исследования на ее физической модели, максимально приближающейся к приборной реализации.

Аналитически показано, что диапазоны измерения и точность автоколлимационных систем достаточны для реализации измерительных систем второго уровня.

Так же было установлено, что суммарная погрешность определения пространственного положения точек на поверхности каждого ЩОП не должна превышать 0,25 мм. при относительно малом времени измерения. По причине сложности реализации системы измерения с требуемым

быстродействием предлагается измерение положения вершины и оси ОЗ разделить на два этапа - предварительный статический (зенитальный) и динамический (непосредственпая оценка).

На первом этапе ОЗ переводится в зенитальное положение, и в течение длительного времени выполняется измерение положения ЩОП сначала с помощью универсальных измерительных средств - автоматических тахеометров программным наведением на контролируемую точку со средней погрешностью 0,25 мм.. Затем с помощью контактных измерительных средств, например, оптических мерных жезлов, положение уточняется с конечной погрешностью порядка 0,05 мм. Полученные данные о положении ЩОП заносятся в компьютерную модель, выполняющую расчет параметров ОЗ.

На втором этапе ОЗ находится в рабочем положении. С помощью специализированной измерительной системы измеряются пространственные координаты ограниченного числа (25...30) контрольных точек на поверхности зеркала с требуемой точностью и быстродействием 0,02 с (при разработке специальной системы снятия сигнала - 0,002 с). По измеренным данным выполняется коррекция расчетной модели параметров ОЗ для текущего азимутального п угломестного положения.

Предлагается использовать специализированную измерительную систему, состоящую из отдельных каналов по количеству контрольных точек па поверхности ОЗ. Каждый канал зафиксирован неподвижно относительно базы - ОК и постоянно наведен на контролируемую точку. Одни канал измерения координат точки на поверхности ЩОП работает по методу прямой угловой засечки с двумя телевизионными измерительными системами (ТВИС), расположенными на ОК.

По причине сложности аналитической оценки погрешности измерения измерительного канала была разработана имитационная модель, позволяющая выполнить анализ влияния погрешностей работы ТВИС на общую погрешность измерения системы. Расчет проводился для крайнего ряда ЩОП (специально рассчитывается неоптнмальный вариант расположения объекта контроля для наиболее удаленных контрольных точек). В качестве оценки погрешности измерения координат контрольной точки в пространстве используются выборочное среднее погрешности измерения тегг и среднее квадратическое значение погрешности измерения трех координат контролируемой точки сегг. Распределение погрешностей измерения по циклам моделирования приведено на рис.6

Из результатов моделирования следует, что среднее значение погрешностей находятся в допустимых пределах, но при отдельных экспериментах погрешность измерения Z - координаты превышает допустимую. Это означает, что:

I.) результат измерения выдаваемый данной системой в ВУК должен быть средним значением из нескольких измерений

2) реализуется ситуация на пределе потенциальной точности метода и для более достоверной оценки погрешности необходимо как

совершенствование модели в плане расширения круга учитываемых погрешностей, так и реализация физической модели измерительного канала с последующим экспериментальным исследованием.

06

Рнс.6. Погрешности измерения.

Далее предлагается концепция построения системы измерение пространственного положения КР по двухэтапной схеме:

а) пространственное положение КР системой третьего уровня измеряется относительно ОК;

б) угловое положение ОК с помощью систем второго и первого уровня, как было описано ранее, привязывается к абсолютной системе координат.

Можно считать , что поверхность КР практически не деформируется и поэтому для оценки пространственного положения КР достаточно измерить положение в пространстве трех контрольных точек на его поверхности, что определяет необходимость реализации трех измерительных каналов.

Каждый канал измерения координат точки на поверхности КР работает по методу прямой угловой засечки (или триангуляционному методу) с двумя ТВИС, расположенными на опорном кольце.

Для оценки погрешности измерения использовалось компьютерное моделирование, где в качестве оценки погрешности измерения координат контрольной точки в пространстве использовались выборочное среднее погрешности измерения тегг и среднее квадратическое значение погрешности измерения трех координат контролируемой точки аеп\

Распределение погрешностей по циклам моделирования приведено на

рис.7

0.4

Рис.7.Погрешности измерения пространственного положения КР

Анализ рис.7 позволяет сделать вывод о реализуемости требуемой погрешности измерения (0,04 мм) по координатам X и У, и нереалнзуемостн требуемой точности по координате 2. Дальнейшие эксперименты с компьютерной моделью показали, что требуемая точность измерений положения КР по координате Ъ (по осп 03) будет достигнута при расположении ТВПС измерительных каналов на базе 12... 14 метров. Это практически может быть реализовано, например, при размещении блоков ТВПС иа штангах, расположенных в виде лучей шестиугольной звезды, прикрепленных к ОК.

Так же рассматривается задача определения 3-х линейных и 3-х угловых координат ПЗ с достаточно высокой точностью при довольно значительных пределах измерения.

Предлагается использовать схему измерения координат точки в пространстве методом прямой угловой засечки двумя ТВИС. Располагая па оправе ПЗ 3 марки, а па ОК - 3 пары ТВИС, получим по 3 линейные координаты х0К,у(Ж, для каждой марки. Линейные смещения марок легко пересчитывшотся в угловые смещения.

Для оценки погрешности измерений, как и ранее использовалось компьютерное моделирование. Распределение погрешностей по циклам моделирования приведено на рнс.8.

Погрешности определения угловых координат ПЗ определялись путем пересчета линейных координат в угловые величины. Примем диаметр оправы ПЗ равным О = 600 мм., тогда в соответствии с данными из рнс.8 получим:

Д((>х1 =Д2„ / ф/2) = 0,034 / 300 » 1,13-10"4 - 23",

Д<(Чз= ЛгА/(Зш Б/4) = 0,034/260= 1,30-10'4 = 26", = Ах» / ф/2) = 0,0004 / 300 = 1,3-10'6 = 0,26",

где Дфхз , Дфуз > Дфгз - погрешности измерения углового положения и угловых перемещений ПЗ относительно осей Хз , Yj, Z3 ; ДгЛ , Azc , Дус -погрешности измерения линейных координат трех точек на 113.

"005

о 5 to 15

I

Рис.8. Погрешности измерения координат ПЗ

Таким образом, Дфхз , Дфуз не проходят по точности, а Дф23 укладывается в допуск на пределе. Для уменьшения погрешности есть два пути. Первый - увеличение фокусного расстояния оптической системы ТВИС до 300мм. Тогда расчет дает величину Дг = 0,011 мм, а погрешности определения угловых координат будут равны:

Дфхз= Дгв/ (D/2) = 0,011 / 300 = 1,13-Ю'4 = 8" ,

Дфуз = AZa/ (31/2 D/4) = 0,0 U / 260 = 1,30-10"4 = 9".

Второй путь - использование для измерения поворотов двухкоординатного ОЭАК При этом можно получить погрешности измерений : Дфхз = Дфуз = 0,ld / f = 0,1 • 0,01 / 90 = 10"5 рад = 2" , где d = 0,01 мм - размер элемента ПЗС (0,ld - программная погрешностью позиционирования), f = 90 - фокусное расстояние объектива. Полученные погрешности значительно меньше требуемых.

В заключении делается вывод, что аналитические расчеты и компьютерное моделирование подтверждают возможность измерения смещения элементов конструкции РТ-70 с заданной точностью и с необходимым быстродействием предложенными методами и средствами.

В третьей главе рассматриваются измерительные задачи системы мониторинга окружающей среды на плато Суффа, где будет установлен радиотелескоп РТ-70.

Мониторинг состояния окружающей среды требуется для информационного обеспечения принятия решения о допустимых режимах работы радиотелескопа, осуществляемого оператором, обслуживающим радиотелескоп н анализирующим указанную информацию, или экспертной

системой, заменяющей оператора в данном вопросе. Кроме того, результаты измерении могут использоваться при моделировании поведения металлоконструкций радиотелескопа в режиме реального времени.

Метрологический анализ показал, что требования к точности измерения параметров окружающей среды не высоки (порядка 1%). Поэтому указанные параметры могут быть измерены широким кругом стандартных измерительных приборов.

Аналого-цифровое преобразование измеренных величин для ввода их в средства вычислительной техники (например, для записи в базу данных экспертной системы) не требует большой разрядности п ( 0,01 > 1/2", и > 7) и быстродействия ( > 20 тс.). Однако измерительные каналы должны быть хорошо защищены от электромагнитного воздействия и сами не должны быть источниками электромагнитных помех. Последнее, достигается использованием оптических измерительных преобразователей и волоконно-оптических линий связи. Такой подход оправдан еще и потому, что и для измерения параметров самого радиотелескопа то же используются оптические методы. Поэтому предлагается использовать в системе мониторинга интерференционно-кодовые измерительные каналы (ИКИК), особенностью которых является использование интерференционных модуляторов, оптических кодирующих устройств (ОКУ) и передача информации по волоконно-оптической липни связи (ВОЛС) в виде параллельного оптического двоичного кода (параллельный оптический канал), что увеличивает скорость передачи и обработки данных в вычислительных управляющих комплексах (ВУК)

Описываются обобщенные структуры ИКИК, их передаточные функции и используемые методы анализа динамики. Ставится задача синтеза структур оптико-электронных измерительных каналов с заданными свойствами, из которых основными являются разрешающая способность, разрядность выходного кода, время и диапазон измерения. При этом, прежде всего, необходим выбор рациональной схемы под заданный тип преобразуемой величины, который должен базироваться на классификации каналов по типу входной аналоговой величины, типам используемых модуляторов, оптических усилителей и кодирующих устройств, а также в зависимости от физических эффектов, используемых для переноса изменения входной аналоговой величины в изменение оптической пространственно-временной структуры. Показано, что одну и ту же физическую величину можно преобразовать в оптический параллельный двоичный код с помощью достаточно большого количества разнообразных структур ИКИК. Выбор наилучшего варианта структуры, а также составляющих его блоков можно осуществить, исходя из анализа показателей качества. При этом необходимо иметь математическое описание преобразования входной аналоговой величины в ИКИК.

При создании математической модели преобразования учитывались ограничения, накладываемые как на структуру ИКИК, так и на устройство его отдельных блоков. Основными блоками являются модулятор

формирующий пространственно-временную периодическую структуру, и оптическое кодирующее устройство с оптическим усилителем, осуществляющие растровый анализ и кодирование. Взаимодействие этих блоков можно изучать с помощью математической модели взаимодействия пространственно-временных структур.

Взаимодействие двух структур в наиболее общем виде с учетом принятых допущений может быть описано следующим образом :

оо ао

«-оо —со

где »(*, - значение параметра, например, интенсивности,

результирующего электромагнитного поля в точке с координатами („г*, V*, г*) и в момент времени наблюдения В-(х, - функция пропускания потока света

/ / — —*

элементами структур; ,/ ) - усредняющие ядра, то есть функции,

¥

описывающие усреднения, сопровождающие взаимодействия, / - функция, описывающая тип взаимодействия (обычно функция сложения или умножения).

Функция может, например, описывать свойство запоминания или накопления на прямолинейном участке характеристики кривой фотоматериала.

Проведенный на базе полученного описания анализ взаимодействия двух периодических структур, на основе которого строятся оптические усилители перемещений, используемые в ИКИК, позволил выявить следующие их основные особенности, которые необходимо учитывать при синтезе ИКИК:

- период Т = (ХДзУе, где АЛ и 12, периоды структур, е - их наибольший общин делитель, и шаг Н = (АДг)/ ] Х\ - | комбинационных полос, образующихся в результате взаимодействия двух периодических структур, это не одно и то же, так как они совпадают только при | Х] — Х21 = I,

- диапазон преобразования сопряжением двух структур перемещения определяется величиной шага (периода) сигнального растра, так как при перемещении сигнального растра на величину большую этого шага на кодирующее устройство попадет другая комбинационная полоса, и будет неправильное кодирование,

для увеличения коэффициента усиления перемещения в интерференционно-кодовых преобразователях сигнальную структуру надо перемещать перпендикулярно направлению ее элементов, а анализировать перемещение комбинационных полос в направлении перпендикулярном к ним,

- разрешающая способность т] нониусного сопряжения и соответствующего усилителя перемещения определяется элементарным перемещением или квантом перемещения комбинационной полосы : ц = ?ц(1 - 1/с|(> - Х,2(с + 1Д]Д где : с =[ХДз] — целая часть отношения Х{/Х2 , Я) = Х|/т| , q2 = Х2/хи ъ - размеры элементов сопрягающихся структур,

- коэффициент усиления перемещения и диапазон при нониусном сопряжении рассчитать аналитически можно только в двух частных случаях:

при я - р = I (ХД2 = ц/р, - взаимно простые числа) К. = А.| - Х2)

при я - р = 2 и р - нечетное число К = (р +1)я/2-1

а в остальных случаях необходимо использовать предложенный алгоритм расчета с помощью ЭВМ.

Описание взаимодействия двух структур легко обобщить иа произвольное число:

00

где ¡В^ЩхХх*/)^

—-то

Правая часть последнего уравнения задает некоторую уточненную

выбором Г*, q2 операцию на В1, В2. Обозначим ее через тогда вся система преобразований в целом описывается обобщенным уравнением преобразований:

I 2 3 л-1

где: il{xityOC^ - выходная величина, Бф - интегральная вольтовая или токовая чувствительность фотоприем пика; /^ф - параметр, связанный с собственной постоянной времени фотоприемнпка; X

еП

, где п - множество, к

описывающее геометрическую форму углового поля зрения; ® - тип взаимодействия очередной пары элементов преобразования, определенный

г*

соответствующей функцией /д. и величиной (у.

Полученное обобщенное уравнение ИКИК позволяет с точки зрения различных типов физического взаимодействия анализировать подавляющее большинство ОЭК рассматриваемого класса

На вход ИКИК поступает смесь сигнала а(1) и помехи е(0, которая может быть аддитивной: Г(1)=а(1)+е(0, мультипликативной: Д0=а(1)*е(0» смешанной: А[0=а(1)Фе(1), При этом для большинства объектов управления наиболее характерна аддитивная помеха.

Результат измерительных преобразований в аппаратных средствах ИКИК в операторной форме можно представить в виде:

где: уДО - результат, полученный в ¡-ом измерительном преобразовании, Ям

- оператор масштабирования,, Я3 - оператор нормализации и записи кодовой комбинации в память, - оператор фотоэлектрического преобразования, Яц

- оператор передачи оптического кода по световолоконной линии связи, Як -оператор квантования, Яд - оператор дискретизации непрерывного входного

воздействия, Яу - оператор оптического усиления, Яо - оператор модуляции, - входное воздействие в 1 ом преобразовании.

Операцию выделения измеряемого информационного параметра можно в общем виде представить в виде следующего функционала:

хКМ)-^

где: 11ь - выбранная линейная пли нелинейная функция от вычисления набора

ь

сверток, х- задержка (например, время счета в ВУК), *- обозначение

а

операции свертки, (а,Ь) - интервал измерений, §„(т) - базисные функции, зависящие от выбранного метода цифровой фильтрации и параметров сигналов и помех.

Вводя описание всех операторов и объединяя два последних уравнения, получим следующее обобщенное уравнение измерительного преобразования вИКИК:

х*(1-т) = 11ь| ша<кп^1-е /Т.

/ \

кф И-е"/'т+

/X

^-Ту -Т0Ку)

( ( _»§/ > Г

Дк Ч а

Ь

>)*8П(1)}.

Дк Ч а

где: шг ~/та/2" коэффициент масштабирования,

/тах - максимальное значение входного воздействия,

к юкф,,к^К к„ - передаточный коэффициент компаратора-нормализатора, блока фотоприемннка, оптического усилителя (коэффициент усиления перемещения) и модулятора соответственно,

Тн Тф, Тм - постоянная времени компаратора-нормализатора, блока фотоприемника и модулятора соответственно,

т у , т0ку - время запаздывания в оптическом усилнтеле(ОУ) и в оптическом кодирующем устройстве (ОКУ) соответственно, (д- время дискретизации (преобразования), /(О - входная измеряемая величина, Дк = хта*/2п - интервал квантования,

кус^ш

-

оку )/ /т

> 1 т

ту - току)

Хтах - максимальное значение воздействия на входе ОКУ или верхняя граница динамического диапазона, п - разрядность ОКУ, <7 - число отбрасываемых разрядов.

Полученное уравнение может служить основой для проведения метрологического анализа исследуемых ИКИК с определением причин возникновения погрешности.

Теоретический анализ динамических погрешностей преобразования в ИКИК связан с труднопреодолимыми сложностями вычислительного характера. Поэтому анализ этих погрешностей в ИКИК целесообразно проводить с помощью имитационного моделирования на ЭВМ. При этом следует иметь ввиду, то что динамические погрешности вносят в полную погрешность незначительную часть из-за малой инерционности блоков оптической обработки информации.

Статическую компоненту полной погрешности можно разбить на две составляющие: на погрешность цифрового представления или округления, обусловленную наличием квантования по уровню и связанного с этим конечного числа разрешенных уровней, и на инструментальную погрешность.

Наибольший интерес представляет инструментальная (случайная) погрешность, которая появляется из-за шумов и помех, как во входном сигнале, так н в элементах ИКИК, и из-за технологических отклонений в элементах ИКИК, возникающих при изготовлении и эксплуатации ИКИК.

Анализируются инструментальные погрешности таких основных блоков 11К11К, как модуляторы, усилители перемещений, волоконно-оптические линии связи, оптические колирующие устройства и интерфейсные блоки. Получены формулы для вычисления инструментальных погрешностей для наиболее распространенных типов этих блоков н показано, что наибольшими инструментальными погрешностями обладают модуляторы, оптические усилители перемещения и волоконно-оптические линии связи.

Установлено, что для муарового, и для нониусного типов сопряжений, как линейных, так и угловых, используемых в усилителях перемещения, критичными параметрами являются период следования щелей растров. Численные оценки показывают, что допуски на величины периодов составляют единицы процентов от номинала для 6-8 разрядных сопряжении. Для линейных сопряжений критичны наклон (перекос). Оценки дают величину допусков па эти отклонения порядка единиц и долей единиц градусов, Ширина щелей менее критична по допускам - до 20 процентов ог номинала.

Для оптических кодирующих устройств в муаровых растрово-кодовых сопряжениях необходимо учитывать допуски на высоту и период окон, а в ноинусных - на их ширину. Изготовление растрово-кодовых сопряжений требует весьма высокой точности как собственно изготовления, так и сборки.

а наиболее подходящими технологиями для соблюдения всех этих требований являются оптоволоконная и интегрально-оптическая.

В связи с тем, что в процессе изготовления оптических кодирующих устройств (ОКУ) размеры его элементов получаются с некоторой случайной погрешностью, то при кодировании положения комбинационных полос, падающих на поверхность ОКУ, возникают ошибки кодирования. Кроме того, ошибки кодирования могут возникать из-за случайных отклонении в параметрах самих комбинационных полос. Поэтому целесообразно оценить максимально возможные ошибки кодирования из-за действия указанных факторов.

Получены формулы для вычисления ошибок кодирования, которые могут быть значительно уменьшены при использовании ОКУ с парафазным сигналом на выходе, подаваемым после прохождения через блок фотоприемников на блок компараторов. При этом ОКУ должен состоять из двух частей, в одной из которых элементы расположены согласно прямого кода, а в другой — согласно обратного.

Рассмотрен расчет суммарной погрешности модуляторов при воздействии нескольких коррелированных возмущений, позволивший получить формулы и правила расчета погрешностей аналоговых блоков ИКИК.

В четвертой главе изложена методика проектирования интерференционно-кодовых измерительных каналов, заключающаяся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества.

Приведены формулы для расчета параметров блоков ИКИК, указаны их основные типы и рекомендации по применению, а так же показаны примеры расчета параметров.

Модулятор является ключевым элементом при расчете ИКИК, так как от его типа и параметров зависят типы и параметры всех остальных элементов оптического тракта. Проведенный анализ показал, что по основным параметрам (время измерения, диапазон, разрешение) модулятора нельзя однозначно выбрать тот или иной его тип. Поэтому в большинстве случаев необходимо привлекать дополнительные критерии, характеризующие технологические особенности изготовления, такие, как трудоемкость, приспособленность уже имеющегося производства, наличие и доступность материалов н комплектующих, стоимость изготовления и ряд других, специфических для предполагаемого изготовителя условии. Задача расчета параметров модуляторов сводится фактически к определению их геометрических параметров с учетом исходных данных и ряда физических ограничений.

После выбора модулятора и расчета его параметров можно перейти к выбору типов фотоприемников и излучателя, который сводится к выбору [¡ары, обеспечивающей достаточный сигнал по интенсивности на входе фотоприемника и требуемое быстродействие преобразования оптического сигнала в электрический. У выбранного типа источника света мощность должна быть выше минимально допустимой, а длина волны излучения (или спектр) должна соответствовать рабочей длине волны (спектру) фотопрнёмннка. Если рассчитанная минимально допустимая мощность оказывается выше, чем мощность любого, пригодного к использованию в ИКНК источника света, то приходится изменить первоначально выбранную оптическую схему.

После выбора модулятора может оказаться, что квант перемещения комбинационной полосы или луча света на выходе модулятора меньше допустимого размера элемента оптического кодирующего устройства (ОКУ). Это может быть либо из-за ограниченных технологических возможностей изготовителя, либо из-за нежелательности дифракции света за элементом ОКУ. Чаще всего такая ситуация возникает при использовании дефлектор но го модулятора.

В этом случае перед ОКУ устанавливают либо усиливающую оптическую систему из линз, либо оптический усилитель перемещения (ОУП) одного из двух типов: муаровый (МОУП) или нониусный (ПОУП). В последнем случае, если в проектируемом ИКИК используется дефлекторный модулятор, то за ним устанавливают формирователь светового растра, который луч света за модулятором расщепляет на ряд лучей, либо с помощью оптического делителя, либо с помощью сканирующего звена с прерывателем. Причем второй тип формирователя целесообразно использовать в ИКИК, когда первый не подходит из-за слишком больших потерь света в нем, что наблюдается при числе разрядов уже больше пяти (п>5), либо при преобразовании таких динамических параметров, как скорость перемещения или вращения, частота, момент и др.

При выборе типа ОУП можно исходить из следующих соображении. МОУП имеет меньший коэффициент усиления, чем НОУП. Однако у него нет зоны нечувствительности. Поэтому МОУП целесообразно использовать всегда, когда он обеспечивает необходимый коэффициент усиления.

При выборе типа оптического кодирующего устройства (ОКУ) следует учитывать, что среди неуправляемых ОКУ наиболее часто используются кодовые маски и волоконно-оптические кодирующие устройства (ВОКУ). При этом самыми дешевыми ОКУ являются фото кодовые маски. Однако они имеют малый срок службы. Среди управляемых ОКУ наиболее часто используются пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) па жидких кристаллах (ЖК). Лкустооптическне ПВМС значительно сложнее и дороже. Для управления оптически управляемыми ПВМС необходимо использовать когерентные источники света, что делает их дороже электрически управляемых. Однако, если в ИКП один и тот же лазер можно использовать и в качестве источника света, несущего информацию, и в

качестве управляющего устройства ПВМС, то оптическое управление ПВМС становится эффективнее электрического. Среди оптически управляемых ПВМС для ОКУ наиболее пригодны ПВМС на структурах ФП - ШК и МДП — ЖК.

После вычисления размеров ОКУ может оказаться, что полученные значения меньше допустимых, которые должны быть как минимум на порядок больше достижимой точности линейных размеров ОКУ. Если это действительно так, то надо либо увеличить размеры комбинационной полосы на входе ОКУ, либо подобрать другой тип ОКУ. Чаше всего оказывается недостаточной длина комбинационной полосы. Ее увеличение можно осуществить, как было показано ранее, с помощью оптической системы из двух цилиндрических линз

Блок фотоприемников (БФП ) целесообразно выполнять в внде линейки лавинных фотодиодов, обладающих наиболее высоким быстродействием. Обычно для повышения точности работы в схеме ИКИК используются прямой и инверсный оптические коды. Поэтому после ОКУ устанавливают два одинаковых БФП, выходы которых подключают к компараторам формирователя нормированных сигналов.

Перед тем, как определить габариты БФП целесообразно уточнить соответствуют ли параметры выбранного ранее типа фотопрпемника минимальному уровню сигнала на его входе. Для этого уточняется значение требуемой мощности источника света с учетом полученного максимального уменьшения светового потока в оптическом тракте проектируемого ИКИК. Если полученное значение мощности излучения превышает возможности источника света, то необходимо либо подобрать более мощный источник, либо подобрать более чувствительный тип фотоприемников.

Выбор структуры и составных элементов электронной части ИКИК базируется на выборе подхода к организации взаимодействия измерительного канала с другими системными элементами ВУК и, прежде всего, с ЭВМ, а также на выборе принципа построения материальных связей между ними.

В последнее время при построении ВУК используется магистрально-модульный принцип формирования измерительной части ВУК, основанный на использовании какого-либо стандартного измерительного интерфейса, в сочетании с использованием специальных модулей (контроллеров) для взаимодействия с ЭВМ. При этом по мере укрупнения измерительных модулей и расширения их функциональных возможностей за счет использования сверхбольших интегральных микросхем и микропроцессоров, число нормируемых параметров сопряжения сокращается, увеличивается унификация и соответственно сокращается номенклатура измерительных интерфейсов, рекомендуемых к употреблению.

В настоящее время наиболее применяемыми являются измерительные интерфейсы типа VME и VXI, ориентированные на микропроцессоры фирмы Motorola, а также типа Multibus п их последующие варианты развития,

ориентированные на микропроцессоры фирмы Intel, При этом интерфейс VXI вобрал в себя лучшие черты стандартов HP-IB (IEEE-488) и VME и сейчас является одним из самых популярных стандартов.

Очевидно, что структура электронной части ИКИК должна ориентироваться иа магистрально-модульное построение ВУК с использованием стандартного измерительного интерфейса, предпочтительно одного из перечисленных трех типов, в зависимости от типов микропроцессоров, используемых в ЭВМ, самих ИКИК и контроллеров. Конструктивные, входные и выходные электрические параметры электронного блока ИКИК определяются выбранным интерфейсом. При этом независимо от типа интерфейса структура электронной части ИКИК должна содержать блок нормализации кодов (БНК), блок формирования функций (БФФ), блок управления (БУ), блок памяти (БП) и дешифратор команд (ДК). БУ целесообразно строить на базе микропроцессоров типа Intel или Motorola, в зависимости от выбранного ранее типа измерительного интерфейса. При этом блоки ДК и БП целесообразно выбирать из того же микропроцессорного набора. Инструментальные погрешности указанных блоков определяются разрядностью шин данных и, как правило, могут не учитываться ввиду их малости.

В приложении 1 изложены принципы моделирования типового оптико-электронного измерительного канала, описаны компьютерные и физические модели типового канала оптико-электронной системы контроля смещений элементов ЗС РТ-70 и приведены результаты моделировния, подтверждающие основные теоретические выводы.

В приложении 2 приедены акты внедрения результатов диссертационной работы, подтверждающие их практическую полезность.

Основные результаты работы:

1. Проведен метрологический анализ вариантов методов и структур ОЭНС для измерения линейных и угловых перемещения подвижных осей 03, КР и ПЗ зеркальной системы радиотелескопа, в результате которого установлено, что в качестве методов измерения целесообразно использовать так называемые «геометрические методы» как наиболее устойчивые к воздействию внешних факторов, а именно: для измерения угловых величин -автоколлимашюнный метод, для измерения линейных величин - метод угловой (триангуляционный метод) и линейной засечки.

2. Установлено, что для информационного обеспечения принятия решения о допустимых режимах работы радиотелескопа, осуществляемого оператором или экспертной системой, заменяющей оператора, а также для моделирования поведения металлоконструкций радиотелескопа в режиме реального времени необходим мониторинг состояния окружающей среды.

3. Анализ взаимного влияния, с точки зрения помехозащищенности, системы мониторинга окружающей среды и работающего радиотелескопа показал, что имеются высокие требования по ослаблению взаимовлияния их электромагнитных полей, что обуславливает целесообразность построения интерференционно-кодовых измерительных каналов (ИКИК) системы

мониторинга на базе когерентных излучателей, интерференционно-кодовых преобразователей и волоконно-оптических линии связи, позволяющих резко увеличить помехозащищенность за счет частотного разделения спектров оптических и миллиметровых электромагнитных полей.

4. Разработан комплекс измерительных процедур для обеспечения универсальности использования ИКИК в ОЭИС радиотелескопа РТ-70, способных обеспечить в зависимости от типов ИКИК:

• погрешность преобразования вводимой физической величины в пределах от 0,2 % (число разрядов 8) до 1 % (число разрядов 6);

• порог чувствительности по перемещению от 0,1 мкм при использовании интерференционных модуляторов и по напряжению от 10 мкУ при использовании электромеханических дефлекторных модуляторов;

• диапазон преобразуемых входных воздействий по перемещению от единицы и десятков мкм при использовании интерференционных модуляторов до десятков и сотен мм при использовании растровых модуляторов, а по напряжению от десятков мкУ при использовании электромеханических дефлекторных модуляторов до сотен кА/ при использовании электрооптнческнх дефлекторных модуляторов.

5. Разработаны формулы для расчетов узлов ОЭИС и ИКИК, а также оценок их метрологических характеристик и методика проектирования интерференционно-кодовых измерительных каналов, заключающаяся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества.

6. Произведена классификация структур ИКИК и его составных частей по входному воздействию, диапазону измерения, метрологическим характеристикам, технологическим особенностям будущего изготовителя и ожидаемой стоимости и трудоемкости, что облегчило создание методик их синтеза.

7. Анализ основной качественной характеристики ИКИК, а именно, погрешностей элементов, выявлено, что наибольшими инструментальными погрешностями обладают модуляторы, оптические усилители и волоконно-оптические линии связи, инженерные формулы для вычисления которых в работе получены.

8. Компьютерное и физическое моделирование выбранных по точности и помехозащищенности оптико-электронных измерительных систем и каналов подтвердили результаты теоретических исследований.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Городецкий А. Е., Тарасова И. Л., Артеменко Ю. Н, Интерференционно-кодовые преобразованняю,- Спб.: Наука, 2005.472 с.

2. Городецкий А. Е., Козлов В. В. , Артеменко Ю. Н., Тарасова И. Л. Вычнслени в системах управления; Учеб. пособие, СПб.: СПб'ГПУ, 2006.- 463 с.

3. Artemenko U. N., Gorodetsky А. Е., Dubarenko V. V., Kuchmin A. U. The Problems in Visualisation of Cosmic Millimeter Radiowave Sources./ 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-27 May, 2005. Kyiv, Ukraine

4. Artemenko U. N., Gorodetsky A. E., Dubarenko V. V,, Kuchinin A. U., Gimmelman V. G. Resolution Increase of Millimetric Range Radiotelescope RT-70./ 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-27 May, 2005. Kyiv, Ukraine

5. Артеменко IO. H., Паршиков А. А. Радиотелескоп на плато Суффа. Ход работ по корректировке проекта. / Всероссийская астрокосмпческая конференция ВАК-2004 «Горизонты Вселенной», МГУ, М„ 2004.

6. Парщиков А. А., Артеменко Ю. Н. Конструктивные особенности адаптивного миллиметрового радиотелескопа РТ-70, / Всероссийская астрокосмпческая конференция ВАК-2004 «Горизонты Вселенной», МГУ, М„ 2004.

7. Мельников Ю.Е., Анисименко В. М., Артеменко IO. Н. Донской 10. К. Проект завершения строительства Международной радиоастрономической обсерватории на плато Суффа в Республике Узбекистан. Журнал «Бюллетень строительной техники» № 1, 2006.

8. Артеменко IO. Н., Егоров Ю. Г., Парщиков А. А., Смирнов С. В. Инеринальная система ориентации зеркальной системы радиотелескопа. /1-я Российская мультнконференция по проблемам управления, 10-12 октября 2006 г, Санкт-Петербург.

Подписано в печать 10.10.2006. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л.1,3. Уч.-изд. л. 1,0 Тирах 100 экз. Заказ 105

ИПМаш РАИ

199178, Санкт-Петербург , В.О., Большой проспект, д.61

Введение.

Глава 1. Анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона

1.1. Антенные системы миллиметрового диапазона.

1.2. Регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения миллиметрового диапазона.

1.3. Системы наведения и автосопровождения.

1.4. Информационно-измерительные системы радиотелескопов миллиметрового диапазона.

Глава 2. Методы и средства измерения смещений элементов конструкции зеркальной системы.

2.1. Анализ измеряемых параметров и методов измерений

2.2. Структура измерительной системы.

2.3. Измерение азимута зеркальной системы относительно базовой (абсолютной) системы координат.

2.4. Измерения углового положения базовых элементов конструкции относительно гиростабилизированной платформы.

2.5. Измерения положения основного зеркала относительно базовой системы координат.

2.6. Измерение положения контррефлектора относительно базовой системы координат.

2.7. Измерение положения зеркала перископического относительно базовой системы координат.

Глава 3. Оптико-электронные измерительные каналы системы мониторинга окружающей среды.

3.1. Измерительные задачи системы мониторинга.

3.2. Обобщенный оптико-электронный канал.

3.3.Типы и структуры каналов.

3.4. Обобщенное уравнение преобразования входной величины.

3.5. Показатели качества ИКИК.

3.6. Анализ погрешностей.

Глава 4. Методика проектирования интерференционно-кодовых измерительных каналов.

4.1. Выбор структуры оптического канала.

4.2. Выбор типа модулятора.

4.3. Расчет параметров модуляторов.

4.4. Выбор источника и приемника света.

4.5 Выбор типа оптического усилителя и расчет его геометрических параметров.

4.6. Выбор типа оптического кодирующего устройства и расчет его геометрических параметров.

4.7. Определение геометрических параметров блока фотоприемников.

4.8. Выбор структуры и составных элементов электронной части ИКИК.

В последнее время интенсивность исследований и разработок, направленных на создание различных радиотехнических устройств диапазона 30 - 300 ГГц, постоянно возрастает, а области их применения расширяются. Использование этого диапазона, занимающего промежуток между достаточно хорошо освоенными сантиметровым и оптическими диапазонами, в радиосистемах и радиоастрономии позволяет в ряде случаев найти компромиссное решение, в большей степени отвечающее требованиям конкретных задач. Расширение области применения диапазона миллиметровых длин волн (ММДВ) обусловлено тремя факторами: большой протяженностью спектра, особенностями их распространения в атмосфере, малой длиной волны.

Протяженность спектра миллиметровых волн составляет 270 ГГц. Однако часть этой полосы непригодна для использований устройствами, работающими в атмосфере Земли, ввиду наличия полос интенсивного поглощения радиоволн за счет молекулярных резонансов в кислороде и парах воды. Однако в "окнах прозрачности" атмосферы, расположенных между линиями; поглощения, погонное затухание является, умеренным. Минимумы поглощения наблюдаются на частотах 35, 94, 140 и 220 ГГц {длины волы 8, 6, 3,2 , 2,2 и 1,4 мм соответственно), При этом ширина соответствующих "окон прозрачности" оценивается как 16,23,26 и 70 ГГц.

Использование ММДВ в различных радиосистемах обеспечивает практическое отсутствие ограничений на полосу частот и дает им следующие преимущества:

1) возможность одновременной работы большого числа радиосистем без взаимных помех;

2) возможность перестройки РЛС в широком диапазоне частот в целях борьбы с помехами, отстройки от интерференционных минимумов в условиях многолучевого распространения (например, при сопровождении низколетящих КА), электронного сканирования лучом антенны;

3) возможность использования широкополосных сигналов для передачи больших потоков информации с высокой скоростью, борьбы с замираниями за счет интерференции;

4} высокое разрешение по дальности при использовании коротко-импульсных или широкополосных зондирующих сигналов, обеспечивающее раздельное обнаружение близких целей и точное измерение их координат, получение дальностных радиопортретов целей для их идентификации;

5) высокую защищенность от активных помех;

6) возможность использовать широкие полосы для повышения чувствительности радиометров пассивных радиосистем.

Одним из наиболее важных направлений использования ММДВ являются радиоастрономические исследования с помощью радиотелескопов, направленные на решения крупных научных проблем:

- определения фундаментальных закономерностей пространства-времени;

- построения модели расширяющейся Вселенной;

- изучение структуры и динамики астрономических объектов, в том числе в космических источниках со сверхсильными гравитационными и электромагнитными полями, объектах-ускорителях элементарных частиц до сверхвысокой энергии;

- изучение проблем образования, физики и эволюции звезд и галактик, геодинамика и геотектоника;

- координатно-временное обеспечение научной и хозяйственной деятельности.

Особая роль радиоастрономических исследований в миллиметровом диапазоне длин волн связана с тем, что именно в этом диапазоне находится абсолютный минимум яркостной температуры всего спектра электромагнитного космического фонового излучения. Доминирующим в этом диапазоне является реликтовое космологическое излучение. Ввиду этого диапазон является наиболее перспективным для проведения космологических исследований и исследований предельно холодной материи во Вселенной. Миллиметровые волны, как самые короткие в радиодиапазоне, позволяют реализовать самую высокую угловую разрешающую способность, как при использовании отдельных радиотелескопов, так и с помощью радиоинтерферометров. В миллиметровом диапазоне резко уменьшаются эффекты рассеяния и поглощения радиоволн в космической плазме (по сравнению с более длинными волнами), что позволяет исследовать внутреннюю структуру наиболее компактных объектов, изучать их переменность и поляризационные свойства. Наконец, астрономические объекты обладают в миллиметровом диапазоне необычайно богатым набором излучения атомов и молекул в спектральных линиях.

Для информационного обеспечения отмеченных астрономических задач строящийся радиотелескоп РТ-70 будет работать в трех режимах:

- как одиночный инструмент, обладающий многолучевой диаграммой (до 100 лучей одновременно),

- как основной инструмент наземной сети интерферометров в ЕвроАзиатском районе,

- как основной инструмент радиоинтерферометров Земля-Космос по программам фундаментальных космических исследований.

Во всех этих режимах РТ-70 в ММДВ может обеспечить наиболее высокую чувствительность и угловое разрешение при проведении наблюдений в непрерывном спектре, спектральных линиях, поляризационных измерениях и изучении быстропеременных процессов.

Таким образом, актуальность и важность создания радиотелескопов и систем радиотелескопов для наблюдения (КИР) ММДВ, в том числе систем их измерительно-информационного обеспечения, не вызывает сомнения.

По-видимому, значительного прогресса в исследовании КИР можно достичь при использовании на больших радиотелескопах, к которым относится и РТ-70, матричных приемников излучения, так как в этом случае мы будем более детально наблюдать источники радиоизлучения, а использование методов цифровой фильтрации в этом случае позволит значительно повысить достоверность их отождествления. Более того, визуализация Галактики в радиодиапазоне будет новым, неиспользовавшимся ранее экспериментальным приемом, который, несомненно, будит способствовать новым открытиям.

Однако для перехода к практическому осуществлению задачи визуализации КИР миллиметрового диапазона необходимо, прежде всего, решить проблему повышения точности наведения больших радиотелескопов ММДВ. Сложность решения указанной проблемы заключается в том, что при наведении зеркальной системы (ЗС) РТ на КИР возникают некомпенсируемые деформации элементов ЗС. Это приводит к искажению распределения электромагнитного поля в зоне приема излучения.

Решение отмеченной проблемы связана с решением следующих сложных информационно-измерительных задач:

- создание систем дистанционного измерения координат и перемещений элементов антенной установки с высокой точностью;

- создание системы задания и поддержание базовых углов азимута и места с высокой точностью;

- создание системы дистанционного измерения расхождения оптических осей отражающих поверхностей зеркальной системы.

Цели и задачи работы. Целью работы является исследование и разработка информационно-измерительных систем, осуществляющих измерение и преобразование в цифровую форму параметров и характеристик РТ и окружающей среды для ввода их в вычислительно-управляющий комплекс (ВУК), вырабатывающий (вычисляющий) управляющие воздействия, обеспечивающие оптимальное или близкое к нему функционирование РТ во всех штатных режимах.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона за счет совершенствования информационно-измерительных систем, а так же зеркальных (антенных), систем приема и регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения и системы наведения и автосопровождения;

- исследование и разработка методов и средств измерения смещений элементов конструкции зеркальной системы на основе анализа измеряемых параметров и существующих методов измерений;

- исследование и разработка оптико-электронных измерительных каналов системы мониторинга окружающей среды на основе анализа измерительных задач системы мониторинга и степени влияния параметров окружающей среды на функционирование радиотелескопа;

- разработка инженерных формул и методик для расчетов узлов оптоэлектронных измерительных каналов радиотелескопа, а также оценок их метрологических характеристик;

- компьютерное и физическое моделирование оптико-электронных измерительных каналов смещений элементов конструкции зеркальной системы с целью уточнения их параметров и подтверждения теоретических исследований результатами экспериментов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений.

Выводы по главе 4

1. Выбор ИКИК и его составных частей является достаточно трудоемкой задачей, так как зависит от многих факторов (входное воздействие, диапазон измерения и т.д.). Ключевым элементом при определении структуры ИКИК является модулятор. Анализ только метрологических характеристик элементов ИКИК не позволяет принять однозначное решение при выборе ИКИК и его составных частей. Требуется анализировать технологические характеристики будущего изготовителя, а в некоторых случаях применять экспертные оценки, исследовать ожидаемую стоимость и трудоемкость изготовления элементов ИКИК.

2. Разработанная методика позволяет определять геометрические размеры оптических звеньев ИКИК.

3. Структура электронной части ИКИК зависит от типа используемого измерительного стандартного интерфейса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате анализа существующих оптико-электронных систем и их составных частей, обобщения известных в настоящее время теоретических и экспериментальных исследований в области проектирования и эксплуатации информационно-измерительных систем с интерференционно-кодовыми каналами, а также проведения теоретических исследований и компьютерного и физического моделирования созданы методы и средства анализа и синтеза оптико-электронных измерительных систем, обеспечивающих высокочувствительные и помехозащищенные измерения и преобразования в цифровую форму параметров радиотелескопа РТ-70 миллиметрового диапазона длин волн и окружающей среды для ввода их в вычислительный управляющий комплекс, вырабатывающий (вычисляющий) управляющие воздействия, обеспечивающие функционирование РТ-70 с максимально возможной чувствительностью и разрешающей способностью.

Практическое использование оптико-электронных систем измерения положения и смещения элементов конструкции РТ-70, а так же параметров окружающей среды позволит резко повысит эффективность использования РТ-70 в миллиметровом диапазоне длин волн за счет коррекции его зеркальной системы по результатам измерений.

Полученные результаты и научные положения, сформулированные в работе и основанные на теоретических исследованиях, подтверждены экспериментальными исследованиями и апробированы.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие научные и практические выводы:

1. Проведен метрологический анализ вариантов методов и структур ОЭИС для измерения линейных и угловых перемещения подвижных осей 03, КР и ЗП зеркальной системы радиотелескопа, в результате которого установлено, что в качестве методов измерения целесообразно использовать так называемые «геометрические методы» как наиболее устойчивые к воздействию внешних факторов, а именно: для измерения угловых величин -автоколлимационный метод, для измерения линейных величин - метод угловой (триангуляционный метод) и линейной засечки.

2. Установлено, что для информационного обеспечения принятия решения о допустимых режимах работы радиотелескопа, осуществляемого оператором или экспертной системой, заменяющей оператора, а также для моделирования поведения металлоконструкций радиотелескопа в режиме реального времени необходим мониторинг состояния окружающей среды.

3. Анализ взаимного влияния, с точки зрения помехозащищенности, системы мониторинга окружающей среды и работающего радиотелескопа показал, что имеются высокие требования по ослаблению взаимовлияния их электромагнитных полей, что обуславливает целесообразность построения интерференционно-кодовых измерительных каналов (ИКИК) системы мониторинга на базе когерентных излучателей, интеференционнно-кодовых преобразователей и волоконно-оптических линий связи, позволяющих резко * увеличить помехозащищенность за счет частотного разделения спектров оптических и миллиметровых электромагнитных полей.

4. Разработан комплекс измерительных процедур для обеспечения универсальности использования ИКИК в ОЭИС радиотелескопа РТ-70, способных обеспечить в зависимости от типов ИКИК:

• погрешность преобразования вводимой физической величины в пределах от 0,2 % (число разрядов 8) до 1 % (число разрядов 6);

• порог чувствительности по перемещению от 0,1 мкм при использовании интерференционных модуляторов и по напряжению от 10 мкУ при использовании электромеханических дефлекторных модуляторов;

• диапазон преобразуемых входных воздействий по перемещению от единицы и десятков мкм при использовании интерференционных модуляторов до десятков и сотен мм при использовании растровых модуляторов, а по напряжению от десятков мкУ при использовании электромеханических дефлекторных модуляторов до сотен кУ при использовании электрооптических дефлекторных модуляторов.

5. Разработаны инженерные формулы и методики для расчетов узлов ОЭИС и ИКИК, а также оценок их метрологических характеристик.

6. Произведена классификация структур ИКИК и его составных частей по входному воздействию, диапазону измерения, метрологическим характеристикам, технологическим особенностям будущего изготовителя и ожидаемой стоимости и трудоемкости, что облегчило создание методик их синтеза.

7. Анализ основной качественной характеристики ИКИК, а именно, погрешностей элементов, выявлено, что наибольшими инструментальными погрешностями обладают модуляторы, оптические усилители и волоконно-оптические линии связи, инженерные формулы для вычисления которых в работе получены.

8. Компьютерное и физическое моделирование выбранных по точности и помехозащищенности оптико-электронных измерительных систем и каналов подтвердили результаты теоретических исследований.

Отдельные результаты работы внедрены на ряде предприятий и в учебные процессы технических университетов (см. Приложение 1). Исследования по разработке методов анализ и синтеза ОЭИС РТ-70 были включены в проект 2.3.2; 2.3.8 «Исследование и разработка методов и средств повышения эффективности систем управления полноповоротными антеннами радиотелескопов» программы фундаментальных исследований Российской академии наук по разделам «Механика» и «Управление и автоматизация». Исследования по разработке методов анализ и синтеза ИКИК были включены в проект 2.3.8 «Разработка и исследование математических методов и оптико-электронных средств оптимального управления комплексами сложных технических, социально-экономических и организационных человеко-машинных систем в условиях неполной информации и векторности показателей качества» программы фундаментальных исследований Российской академии наук по разделу «Управление и автоматизация».

Дальнейшие перспективы развития данного направления связаны с проведением научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на Международной радиоастрономической обсерватории на плато Суффа, предназначенном для проведения фундаментальных и прикладных астрофизических, геофизических и космических исследований, а также для использования в качестве центра дальней космической связи для Российских и международных космических проектов, что предусмотрено проектом Межгосударственной космической программы исследования Земли и космического пространства в мирных целях, разработанной в соответствии с п. 5 Договора о стратегическом партнерстве между Российской Федерацией и Республикой Узбекистан от 16 июня 2004 г. и Договором о союзнических отношений между Российской Федерацией и Республикой Узбекистан от 14 ноября 2005 г.

1. Пименов Ю.В. и др. Техническая электродинамика/ Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Под ред. Пименова Ю.В: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2000. - 536 с.

2. Голография. Методы и аппаратура. Под ред. В.М. Гинзбург и Б.М. Степанова. М., «Сов. Радио», 1974,376 с.

3. Пози Дж. JL, Брейсуэл Р.Н. Радиоастраномия. Пер. с англ. под редакцией И.С. Шкловского. М. Изд. иностр. лит. 1958.

4. Стейнберг Ж., Леку Ж. Радиоастрономия. Радиоастрономические методы на службе радиофизики. Пер. с французск. П.В. Щеглова. М. Изд. иностр. лит. 1963. 312 с.

5. J. L Steinberg, J. Lequeux Radioastronomie. DUNOD, Paris, 1960.

6. Стейнберг Ж., Леку Ж. Радиоастрономия, Изд-во иностранной литературы. М., 1963. 312 с.

7. V. Gromov, N. Kardashev, L. Kuzmin, "Submillimeter and millimeter wave sky mapping in space project Submillimetron". The 2K1BC Workshop "Experimental Cosmology at mm-waves" Breuil-Cervinia, Italy, July 9-13, 2001. Ed. M. De Petris, M. Gervasi.

8. Irwin APL 66,1998(1995), Hoevers et al., NIMA 436, 247(1999)

9. Nahum et al., IEEE Trans, on Appl Superc., 3, 2124 (1993)

10. Kuzmin et al., IEEE Trans, on Appl Superc., 9,2186(1999)

11. Irwin et al., APL. 69,1945 (1996)

12. Hoevers, APL 77,4422 (2000)

13. De Korte et al., IEEE Tr. on Appl. Sup. 11, 747 (2001)

14. Kuzmin et al. JAP, 89, 6464 (2001)

15. Yoon et al., APL 78, 371 (2001)

16. ESF Network "Superconducting Detector Technology for Imaging Arrays", proposal. Chalmers Unversity (L. Kuzmin) is coordinator of this activity (Appendix 1)

17. D. Bendford , S. Moseley, J. Chervenak, J. Martinis et al. "Superconducting TES Bololometer Arrays for Submillimeter Astronomy", Proc. of 11th Symposium on Space Terahertz Technology, pp 196-205, May 2000.

18. Hanany, S. et al, "MAXIMA-1: A Measurement of the Cosmic Microwave Background Anisotropy on angular scales of 10 arcminutes to 5 degrees", 2000, ApJ, 545L, 1

19. Криксунов JI.3., Падалко. Падалко Г. А. Тепловизоры; Справочник.-К.: Техшка, 1987. -166 с.

20. Глезер В.Д. Зрение и мышление. СПб. Наука. 1993

21. Artemenko U. N., Gorodetsky А. Е., Dubarenko V. V., Kuchmin A. U. The Problems in Visualisation of Cosmic Millimeter Radiowave Sources./ 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-27 May, 2005. Kyiv, Ukraine

22. Artemenko U. N., Gorodetsky A. E., Dubarenko V. V., Kuchmin A. U., Gimmelman V. G. Resolution Increase of Millimetric Range Radiotélescope RT70./ 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-27 May,2005. Kyiv, Ukraine

23. Городецкий A. E., Дубаренко В. В. Пути повышения точности системы наведения радиотелескопа РТ-70. / Российская конф. памяти А. А. Пистолькорса. Радиотелескопы РТ-2002: антенны, аппаратура, методы. 9-11 октября 2002 г.

24. Артеменко Ю. Н., Городецкий А. Е., Козлов В. В., Т а р а с о в а И. JL. Вычисления в системах управления: Учебное пособие. СПб.: СПбГПУ,2006. с. 463

25. Городецкий А. Е., Дубаренко В. В., Тарасова И. JL, Шереверов А. В. Программные средства интеллектуальных систем. СПб, СПбГТУ, 2000, с. 171.

26. Городецкий А. Е., Курбанов В. Г., Гиммельман В. Г. Информационно-измерительная система радиотелескопа РТ-70. /5-я Международная конф. По проблемам физической метрологии, 17-21 июня 2002г. СПб. Тез. докл.

27. Белянский П. В., Сергеев В. Г. Управление наземными антеннами и радиотелескопами. М.: Сов. Радио, 1980.

28. Артеменко Ю. Н., Городецкий А. Е., Тарасова И. J1. Интерференционно-кодовые преобразования. СПб, Наука. 2005. с.472

29. Якушенков Ю. Г. и др. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Сов.Радио, 1980

30. Городецкий А.Е. Интерференционно-кодовые преобразователи. Препринт 12, ЛФИМАШ АН СССР, 1989

31. Соколов Б.Б. Цифровая обработка муаровых картин при исследовании полей деформации. Металлургия, 1990.

32. Валюс Н. А. Растровые оптические приборы. М. Машиностроение, 1966.

33. Мироненко А. В. Фотоэлектрические измерительные приборы. М. Энергия, 1967.

34. Дохикян Ю. А. и др. Использование оптоэлектронных методов для создания быстродействующих аналого-цифровых преобразователей сигналов. Зарубежная электроника, 1983, № 9.

35. Дюрели А. В. Парке В. Д. Анализ деформаций с использованием муара. М. Мир, 1974.

36. Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. JL: Машиностроение, 1976. - 296 с.

37. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Ю.Г. Якушенкова -М.: Недра, 1986. 355 с.

38. Бреенков Г.В. Панков Э.Д. Тимофеев А.Н. Некоторые вопросы построения двухкоординатного датчика угловых отклонений/Труды ЛИТМО. -Л., 1975.

39. Бондаренко И.Д. Принципы построения фотоэлектрических автоколлиматоров.Минск: Изд-во Университетское, 1984 г.- с. 190.

40. Высокоточные угловые измерения/Д.А. Аникст, K.M. Константинович, И.В. Меськин, Э.Д. Панков. Под ред. Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1987 480 с.

41. Голубовский Ю.М., Пивоварова Л.Н. Фотоэлектрические автоколлиматоры.// Оптический журнал. 1992. N 9.

42. Хуснутдинов P.M. Влияние ограничения световых пучков на погрешность измерения следящего фотоэлектрического автоколлиматора// Оптико-механическая промышленность.-1989.-№7.-с. 21-23.

43. Городецкий А. Е., Тарасова И. JI. Управление и нейронные сети. СПб, Изд-во Политехи. Ун-та, 2005. 312 с.

44. Городецкий А. Е., Компан М. Е., Шабанов Н. Ю., Панков Э. Д. Использование эффекта усталости люминесценции пористого кремния для адаптивной оптической обработки информации. Изв. Вузов Вузов. Приборостроение т.42, № 9, 1999.

45. Gorodetsky А. Е., Kompan М. Е., Tarasova I. L. Self Formation of Porous Silicon Stru-cture: Primary Mic-roscopic Mechanism of Pore Separation. Solid State Pheno-mena, Vol. 97-98, p.181, ISSN: 1012-0394, 2004

46. Боков B.J1., Новикова Ю.В., Пашков B.C., Тидеман H.A. Исследование точностных характеристик оптико-электронных приборов с многоэлементными фотоприемниками // Известия вузов Приборостроение. -1989. -№ 11. -С.64-68.

47. Карасев В. И., Монэс Д. С. Методы оптических измерений при монтаже турбоагрегатов. — Энергия, 1983. 168 с.

48. Вагнер Е. Т. Лазеры в самолетостроении. М.: Машиностроение, 1982.- 164 с.

49. Городецкий А. Е., Сергеев А. Г. Применение голографических кодирующих устройств в интегрально-оптических АЦП.//Тезисы докл. У1 Всесоюзнной конф. по голографии. Витебск, 1990

50. Городецкий А. Е., Сергеев А. Г. Синтез структур оптоэлектронных АЦП перемещений. //Метрологическое обеспечение и стандартизация.: Тезисы докл. VI 11 Всеакадемической школы ИВТ АН СССР, М., 1990.

51. Управление в условиях неопределенности

52. Юдин Д. Б. Вычислительные методы теории принятия решений. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 320 с.

53. Городецкий А. Е., Дубаренко В. В., Ерофеев А. А. Алгебраический подход к решению задач логического управления.//А и Т, 2000. № 2. С. 127 -138.

54. Городецкий А. Е. Обобщенное уравнение измерений интерференционно-кодовых преобразователей./ аппаратные и программные средства интеллектуальнфых автоматизированных систем в машиностроении. Вып.1, препринт 97, СПб, 1993.

55. Бусурин В. И. Носов Ю. В. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990

56. Gorodetsky А. Е., Sergeev A. G., Yeremenko S. I. Self-learning expert system to support research and design of optronic A/D converters.//Artifical Intelligence Industrial Application: Abstract of papers Internation conference, Leningrad, 1990.

57. Грановский В. А. Динамические измерения.// Основы метрологического измерения.- JL: Энергоатомиздат, 1984.

58. Гитис Э. И., Пискулов Е. А. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Энергоиздат, 1981.

59. Тарасова И. JI. Методы оценки качества нелинейных элементов.// Аппаратные и программные средства интеллектуальных автоматизмрованных систем в машиностроении. Вып.1. Препринт 97. СПб: ИПМаш РАН, 1993, с. 46-61.

60. Сергеев А. Г. Основные инструментальные погрешности растрово-кодовых сопряжений. // Аппаратные и программные средства интеллектуальных автоматизированных систем в машиностроении. Вып.1. Препринт 97. СПб: ИПМаш РАН, 1993.

61. Городецкий А.Е., Сергеев А.Г., Рощина H.A. Методы юстировки оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователей микроперемещений и зазоров. Метрология в прецизионном машиностроении : Тезисы докл. Всесоюзного семинара. Саратов 1990, с. 62-64

62. Городецкий А. Е., Тур Н. И. Анализ коэффициента усиления нониусного сопряжения. /Аппаратные и программные средства интеллектуальных автоматизированных систем в машиностроении. Вып. 1. Препринт 97 ИПМАШ РАН, СПб, 1993, с.17 30.

63. Городецкий А. Е. Методика расчета параметров оптического тракта ОЭ АЦП с пространственно-временной модуляцией света // Препринт № 84, ИПМАШ РАН, 1993.

64. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров. Измерительная техника. : Высшая школа, 1991

65. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. -М.: Радио и связь, 1984

66. Вентцель Е. С., Овчаров JI. А. Теория вероятностей т ее инженерные приложения.- М: Наука.- 1988. 380 с.

67. Сергеев А. Г. Растрово-кодовые преобразователи перемещений. Препринт 65. СПб.: ИПМаш РАН, 1992. - 50 с.

68. А. с. 1715084 (СССР) Городецкий А. Е., Сергеев А. Г. Оптический аналого-цифровой преобразователь перемещений интерференционных полос, 1989.

69. Sergeev A. G. The fibre optical digital sensors of transferences.//12th IMEKO World Congress Measurement and Progress. Digest. Volume 11 / Beijing, China, 1991, p.p.121-122.

70. Городецкий А. Е., Еременко С. И. Анализ случайных погрешностей обработки интерференционных полос матричными фотоприемниками./ Метрологическое обеспечение и стандартизация.: Тезисы докл., Фрунзе, 1989.

71. Солдатов В.П., Якушенков Ю. Г. К определению основных точностных характеристик оптико-электронных углоизмерительных приборов.// Геодезия и аэрофотосъемка/

72. Городецкий А. Е. и др. Растровый трех координатный датчик для измерения угловых уходов сооружений.// Современная электроника в оптическом приборостроении: Труды ЛИТМО, Л., 1981.

73. Преснухин JI. И. Фотоэлектрические преобразователи информации. М.: Машиностроение, 1979.

74. Преснухин JI. И. и др. Муаровые растровые датчики положения и их применение. М.: Машиностроение, 1969.

75. Биберман J1.M. Растры в электронно-оптических устройствах. —И. : Энергия, 1969.

76. Городецкий А. Е. и др. Модели динамических измерений муаровым методом.// Динамические измерения.: Тезисы докл. У1 Всесоюзного симпозиума, л., 1984.

77. Науман Г., Майлинг В., Щербина А. Стандартные интерфейсы для измерительной техники. М.: Мир, 1982, с.304

78. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров. Измерительная техника. : Высшая школа, 1991

79. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах, -JL: Энергоатомиздат, Ленинград.отд., 1988

80. Городецкий А.Е. Использование пространственно-временных модуляторов света в оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователях. Вторая всессоюзная конференция по оптической обработке информации: тезисы докладов. Фрунзе, 1990, стр.62-64

81. Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974

82. Бегунов Б. Н., Заказнов Н. П. Теория оптических систем (учебное пособие для втузов). М., Машиностроение, 1973. - 488 е.: ил.

83. Цуккерман С. Т. Новые приборы автоматического управления машинами оптическим лучом // Изв. вузов СССР. Сер. Приборостроение. -1982-Т.ХХУ,№10.-С. 71-74.

84. Прилепин М. Т., Голубев А. Н. Оптические квантовые генераторы в геодезических измерениях. М.: Недра, 1972. — 168 е.: ил.

85. Прилепин М. Т., Голубев А. Н. Инструментальные методы геодезической рефрактометрии. Итоги науки и техники. Геодезия и аэрофотосъемка. М.: ВИНИТИ, 1979. - 91 е.: ил.

86. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография, под общей редакцией Э.Д. Панкова СПб., ИТМО, 1998, - 238 с.